## PENENTUAN SUDUT POSISI SUDU ARAH HORIZONTAL UNTUK PENGEMBANGAN SUDU MODEL FURROWER AERATOR KINCIR

## Samsul Bahri
Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Lhokseumawe, Lhokseumawe, Indonesia samsul@pnl.ac.id

## Abstrak
Tingkat keberhasilan usaha budidaya tambak secara intensif sangat dipengaruhi oleh kemampuan petani untuk  mengatasi  penurunan  kualitas  air  yang  salah  satunya  masalah  kelarutan  oksigen  yang  rendah melalui  proses  aerasi.  Salah  satu  tipe  alat  aerasi  yang  umum  digunakan  adalah  aerator  kincir  karena merupakan  aerator  yang  paling  baik  dari  segi  mekanisme  aerasi  dan  tenaga  penggerak  yang  dapat digunakan.  Namun  aerator  ini  masih  memiliki  kinerja  aerasi  yang  rendah  sehingga  biaya  operasional kincir  untuk  pengelolaan  budidaya  tambak  masih  tinggi.  Selama  ini  usaha  peningkatan  kinerja  aerasi dilakukan dengan pengembangan sudu secara dua dimensi. Hal ini tidak memberikan hasil yang optimal karena kebutuhan daya untuk aerasi  berbanding  lurus dengan kenaikan  laju  aerasi.  Pengembangan  sudu tiga  dimensi  merupakan  salah  satu  alternatif  solusi.  Sudut  posisi  sudu  arah  horizontal  merupakan parameter  desainnya.  Penelitian  bertujuan  mendapatkan  sudut  posisi  sudu  arah  horizontal  untuk pengembangan  sudu  tiga  dimensi.  Kincir  yang  digunakan  mempunyai  sudu  delapan  buah,  ukuran  sudu 15x20  cm  dengan  diameter  lubang  sudu  16  mm  dan  sudut  posisi  sudu  arah  vertikal  45º.  Variasi  sudut posisi sudu arah horizontal dilakukan pada 0º, 15º dan 30º dengan putaran kincir 115, 135 dan 154 rpm pada  kecelupan  sudu  12  cm.  Pengujian  dilakukan  untuk  mendapatkan  torsi  dan  daya  listrik  yang digunakan  dan  volume  penutupan  semburan  yang  dihasilkan  sebagai  kesamaan  dari  laju  perpindahan oksigen  yang  terjadi.  Hasil  pengujian  terbaik  dihasilkan  pada  sudut  posisi  sudu  arah  horizontal  30º dengan  putaran  kincir  154  rpm  yaitu  torsi  46.70  N,  daya  listrik  564.39  Watt,  dan  volume  penutupan semburan 4.55 m 3 .
Kata  Kunci: aerator  kincir,  sudut  posisi  sudu  arah  horizontal,  torsi,  daya  listrik,  volume  penutupan semburan.

## PENDAHULUAN
Aerasi  merupakan  penambahan  udara yang  mengandung  oksgen    kedalam    air sehingga    kadar    oksigen    dalam      air  menjadi cukup  dengan  bantuan  alat  aerasi.  Aerator berfungsi  untuk  meningkatkan  kontak  udara dengan  air  yang  dapat  dilakukan  dengan menggunakan peralatan mekanis. Salah satu tipe alat  aerasi  adalah  aerator  tipe  kincir  yang merupakan aerator yang paling umum digunakan untuk tambak budidaya air (Laksitanonta  2003).  Hal  ini  dikarenakan aerator kincir merupakan alat aerasi yang paling baik  dari  segi  mekanisme  aerasi  dan  tenaga penggerak  yang  dapat  digunakan  (Romaire  & Merry 2007).
Laju  aerasi  dipengaruhi  oleh  luas permukaan  kontak  air  dan  udara,  perbedaan konsentrasi  oksigen,  koefisien  lapisan  film  dan turbulensi yang terjadi (Boyd 1998). Geometeri, ukuran, dan kecepatan putaran kincir mempengaruhi  kinerja  aerasi  (Peterson  & Walker  2002;  Moulick et  al .  2002).  Kincir dengan  ukuran  yang  lebih  besar  mempunyai kecenderungan  aerasi  yang  lebih  besar.  Namun peningkatan  laju  aerasi  tersebut  selalu  diikuti oleh  besarnya  tahanan  gerak  dari  sudu sehinggga  membutuhkan  tenaga  penggerak kincir  yang  besar  pula.  Besarnya  tenaga penggerak ini merupakan permasalahan tersendiri  dalam  penggunaan  aerator tipe  kincir karena  berkenaan  dengan  biaya  operasional
Gambar 1.  Sudu dan roda kincir
yaitu  konsumsi  daya  listrik  ataupun  pegunaan bahan bakar.
Beberapa  model  aerator  tipe  kincir, seperti  aerator  Taiwan  tersedia  di  pasaran  dan dipergunakan  secara  meluas  karena  harga  yang relatif  murah,  ringan  dan  tahan  korosi,  namun aerator ini memiliki efisiensi aerasi yang rendah (Wyban  1989,  Bhuyar et  all 2009,  Moore  & Boyd 1992).
Selama  ini  pengembangan  sudu  secara dua  dimensi  tidak  memberikan  hasil  yang optimal  karena  kebutuhan  daya  untuk  aerasi berbanding  lurus  dengan  kenaikan  laju  aerasi.
Untuk itu perlu pengembangan sudu secara tiga dimensi  seperti  model  furrower  yang  berfokus pada  geometri  sudu.  Sudut  posisi  sudu  arah horizontal merupakan parameter desain geometrinya.  Penelitian  bertujuan  mendapatkan sudut  posisi  sudu  arah  horizontal  untuk pengembangan sudu model furrower.

## METODOLOGI

## Bahan dan Alat Penelitian
Bahan  yang  digunakan  adalah  bahan pembuatan  model,  bahan  pembuatan  prototipe (motor  listrik,  bahan  struktur  dan  komponen mesin) dan  bahan-bahan pelaksanaan pengujian (kolam  dan  terpal).  Sedangkan  alat  yang digunakan  adalah  peralatan  pembuatan  kincir (mesin-mesin  perkakas,    alat-alat  perkakas), instrumen  pengujian  ( load  cell , slip  ring , bride box , strain  amplifier , data  logger ,  kamera digital, treepot , tachomete r, ammeter ).

## Model Roda Kincir
Roda kincir  yang digunakan  mempunyai
8 sudu dengan total diamter 56 cm sebagaimana  ditunjukkan  pada  Gambar  1. Pelek  berbentuk  segi  delapan  dengan  diameter
15  cm  yang  diberi  tempat  pemasangan  sudu pada setiap sisi seginya. Sudu membentuk sudut 45 º terhadap dudukannya (sudut posisi sudu arah vertikal) dengan  jari-jari kelengkungan sudu 40 cm.  Sudu  berbentuk trapesium  dengan  lebar  20 cm (lebar sisi atas 5 cm dan sisi bawah 15) dan tinggi 15 cm.

## Unit Kincir Uji
Rancangan  struktural  kincir  terdiri  dari rangka,  sistem  transmisi  reduksi  putaran,  sudu kincir.  Rangka  pengujian  menggunakan  besi siku  dengan  dimensi,  bentuk  dan  kekuatan disesuaikan  dengan  peletakan  dan  beban komponen  lainnya.  Motor  yang  digunakan adalah  motor listrik  AC 1 phase dengan daya 1 HP  dan  kecepatan  putar  1440  rpm.  Sistem transmisi  menggunakan  gabungan  sproket  dan rantai  untuk  mereduksi  putaran  motor  yang tersedia  menjadi  putaran  yang  diinginkan. Sistem  transmisi  tersebut  juga  dimaksudkan untuk menghindari  terjadi slip  sehingga kecepatan putar dapat dipertahankan konstan.

## Metode Pengujian
Pengujian  dilakukan  pada  kolam  air tawar  dengan  dimensi  panjang  350  cm,  lebar 200  cm  dengan  kedalaman  air  40  cm.  Masing- masing  sudu  dilakukan  optimasi  pada  sudut posisi sudu arah horizontal ( α ) = 0º, 15º, dan 30º dengan kecepatan putaran kincir ( N ) = 115, 135, dan 154 rpm pada kecelupan  sudu ( h ) = 12 cm (Gambar 2).

## Metode Pengukuran Torsi
Pengukuran torsi dilakukan menggunakan  strain  gauge  yang  dipasang  pada poros  kincir.  Sensor  tersebut  dihubungkan Gambar 2.  Parameter desain dan pengujian
dengan  strain  amplifier  (DAS-406B  DC Strain Amp )  melalui slip  ring dan bridge  box yang direkam  menggunakan data  logger (minilab 1008)  dan  disimpan  di  komputer.  Data  hasil pengukuran  dalam  bentuk  tegangan  (mVolt) dikonversikan  menjadi  nilai  regangan  (µst)  dan nilai  pengukuran  torsi  (Nˑm)  dengan  nilai kalibrasi yang telah dilakukan sebelumnya.

## Metode Pengukuran Daya Listrik
Pengukuran daya kincir dilakukan
dengan  mengukur  konsumsi  daya  motor  listrik menggunakan
Ammeter (DO2A) yang dihubungkan ke stop kontak listrik. Bacaan nilai pengukuran daya
(Watt) dilakukan menggunakan    perekaman  video  kamera  digital pada  layar Ammeter .  Nilai  daya  diambil  pada nilai  rata-rata  yang  sering  muncul  dari  hasil bacaan  pemutaraan  video  rekaman  untuk  setiap perlakuan pengujian.

## Metode Pengukuran Volume
Pengukuran volume penutupan semburan air  dilakukan  dengan  mengambil  rekaman gambar  menggunakan  kamera  digital  dari  sisi depan  dan  samping  kincir  pada  saat  pengujian. Gambar  digital  tersebut  kemudian  diolah menggunakan  program CAD yaitu  dengan membuat  segmen  (grid),  dimana  volume penutupan  semburannya  ( V )  adalah  dengan mengalikan luasan segmen gambar semburan air hasil  foto  sisi  depan  ( A )  dengan  lebar  segmen gambar semburan air hasil foto sisi samping ( l ).
  l x A V . (1)
Volume  penutupan  semburan  air  nyata diperoleh  dengan  membandingkan  volume penutupan semburan gambar dengan pembanding  yang  telah  diketahui  ukurannya sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Kebutuhan  torsi  untuk  setiap  variasi perlakuan  menunjukkan  hasil  yang  berbeda sebagaimana diperlihatkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Kebutuhan torsi untuk setiap variasi perlakuan
Torsi  terkecil  45.51  N˖m  terjadi  pada putaran  115  rpm  dan  sudut  posisi  sudu  arah horizontal  30º,  sedangkan  terbesar  50.34  N˖m pada  putaran  154  rpm  dan  sudut  posisi  sudu arah  horizontal  0º.  Perubahan  kecepatan  putar kincir  dari  115  rpm  menjadi  135  rpm  dan  154 rpm  memperbesar  torsi  2.91%  dan  5.49% (Gambar  4).  Perubahan  sudut  posisi  sudu  arah horizontal  dari  0º  menjadi  15º  dan  30º mengurangi torsi 1.48% dan 4.16%.
Konsumsi  daya  listrik  terkecil  548.12 Watt  terjadi  pada  putaran  115  rpm  dan  sudut posisi  sudu  arah  horizontal  30º,  sedangkan terbesar 606.18 Watt pada putaran 154 rpm dan sudut posisi sudu  arah  horizontal 0º. Perubahan kecepatan  putar  kincir  dari  115  rpm  menjadi 135  rpm  dan  154  rpm  menambah  konsumsi daya  2.79%  dan  5.61%  (Gambar  5).  Perubahan sudut  posisi  sudu  arah  horizontal  dari  0º
0 10 20 30 40 50 0 15 30 0 15 30 0 15 30 115 rpm
135 rpm 154 rpm Tor si ( N. m ) Sudut posisi arah horizontal (ᵒ) A = p x h l
Gambar 3. Error! No text of specified style in document. Segmen perhitungan volume semburan
Gambar 4.  Torsi kincir
menjadi 15º dan 30º mengurangi konsumsi daya 1.48%  dan  4.17%,  yang  mana  hal  ini diakibatkan  oleh  berkurangnya  massa  air  yang digerakkan  oleh  kincir.  Pengurangan  massa  air ini  merupakan  pengaruh  dari  kemiringan  sudu arah  horizontal  yang  secara  teoritis  sebesar 3.4% dan 13.4%.
Volume  penutupan  semburan  terkecil yang  dihasilkan  1.64  m 3 terjadi  pada  putaran
115  rpm  dan  sudut  posisi  sudu  arah  horizontal
30º,  sedangkan  terbesar  4.55  m 3 pada  putaran 154  rpm  dan  sudut  posisi  sudu  arah  horizontal 0º.  Perubahan  kecepatan  putar  kincir  dari  115 rpm menjadi 135 rpm dan 154 rpm meningkatkan  volume  penutupan  semburan 64.09%  dan  161.86%  (Gambar  6).  Perubahan sudut  posisi  sudu  arah  horizontal  dari  0º menjadi  15º  dan  30º  meningkatkan  volume penutupan  semburan  2.46%  dan  3.22%,  yang mana  hal  ini  diakibatkan  oleh  melebarnya semburan air yang digerakkan oleh kincir.

## KESIMPULAN
1. Torsi  dan  kebutuhan  daya  listrik  terkecil adalah  44.51  N˖m  dan  548.120  Watt terjadi  pada  perlakuan  kecepatan  putar kincir  115  rpm  dengan  sudut  posisi  sudu arah horizontaal 30º.
2. Volume  penutupan  semburan  air  terbesar terbesar 4.55 m 3 dihasilkan pada perlakuan kecepatan  putar  kincir  154  rpm  dengan sudut posisi sudu arah horizontaal 30º.
3. Perubahan kecepatan putar kincir dari 115 rpm  menjadi  135  rpm  dan  154  rpm menambahk    konsumsi  daya  listrik  2.79%
dan  5.61%,  dan  meningkatkan  volume semburan 64.09% dan 161.86%.
4. Perubahan sudut posisi sudu arah horizontal  dari  0º  menjadi  15º  dan  30º mengurangi  konsumsi  daya  listrik  1.48% dan  4.17%,  dan  meningkatkan  volume semburan 2.46% dan 3.22%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Bhuyar  LB,  Thakre  SB,  and  Ingole NW,”Design characteristics of curved blade aerator w.r.t. aeration efficiency and overall oxygen transfer coefficient and comparison with CFD modeling,” International Journal of  Engineering,Science  and  Technology 1: 1-15. 2009.
[2]  Boyd  CE,”Pond  water  aeration  systems,” Aquac Eng 18:9-40. 1998.
Laksitanonta  S,  Singh  S,  and  Singh  G,  A review of aerators and aeration practices in
Thai Aquaculture, ” Agricultural
Machanization  in  Asia,  Africa  and  Latin America 34 (4):64-71. 2003.
[3]  Moore JM and Boyd CE,” Design of small paddle  wheel  aerators,” Aquac  Eng 11:55- 69. 1992.
[4]  Moulick S, Mal BC, and Bandyopadhyay,” Prediction  of  aeration  performance  of paddle  wheel  aerators,” Aquac  Eng 25:217-237. 2002.
[5]  Munson, Young, and Okiishi,” Fundamentals of fluid mechanics’” USA :
John Wiley & Sons, Inc. 518-538, 2006.
[6]  Peterson  EL  and  Walker  MB,”  Effect  of speed on Taiwanese paddelwheel aeration,” Aquac Eng 26:129-147. 2002.
500,00 520,00 540,00 560,00 580,00 600,00 0 15 30 0 15 30 0 15 30 115 rpm 135 rpm 154 rpm D ay a (W at t) Sudut posisi arah horizontal (ᵒ) 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 0 15 30 0 15 30 0 15 30 115 rpm 135 rpm 154 rpm V ol um e penut up an sem b u ra n (m 3 ) Sudut posisi arah horizontal (ᵒ)
Gambar 5.  Konsumsi daya listrik kincir
Gambar 6.  Volume penutupan semburan yang dihasilkan
[7]  Romaire  RP  and  Merry  GE,”  Effect  of paddle  wheel  aeration  on  water  quality  in crawfish  pond,” Appl  Aquac 19(3):61-75. 2007.
[8]  Wyban  JA,  Pruder  GD,  and  Leber  KM, 1989”, Paddle  wheel  effect  on  shrimp growth,  production  and  crop  value  in commercial  earthen  ponds ,”  J  World Aquac Soc 20:18-23.
……
..